土力学4压缩与固结课件.ppt

1、修建新建筑物：引起原有建筑物修建新建筑物：引起原有建筑物开裂开裂高层建筑物由于不均匀沉降而被高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除爆破拆除建筑物立面高差过大建筑物立面高差过大建筑物过长建筑物过长4.1 4.1 概述概述地基沉降一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）导致结果：建筑物上部结构产生附加应力，影 响结构物的安全和正常使用土体的压缩性，以及荷载的作用，使得地基发生沉降。土体的压缩性，以及荷载的作用，使得地基发生沉降。影响因素：影响因素：荷载大小；荷载大小；土的压缩特性；土的压缩特性；地基厚度；地基厚度；土的压缩性土的压缩性土体在压力的作用下体积缩小土体在压力的作用下体积缩小的特性的特性侧限压

2、缩侧限压缩三轴压缩三轴压缩荷载试验荷载试验旁压试验旁压试验本章主要内容本章主要内容4.24.2土的压缩性测试方法及压缩性指标土的压缩性测试方法及压缩性指标 4.2.1 4.2.1 土的压缩性测试方法土的压缩性测试方法 4.2.2 4.2.2 土的压缩性及其指标土的压缩性及其指标4.34.3饱和土中的有效应力饱和土中的有效应力4.4 4.4 饱和土体的渗透固结理论饱和土体的渗透固结理论4.24.2土的压缩性测试方法及压缩性指标土的压缩性测试方法及压缩性指标4.2.1 4.2.1 土的压缩性测试方法土的压缩性测试方法侧限压缩试验侧限压缩试验试样试样水槽水槽内环内环环刀环刀透水石透水石传压板传压板百

3、分表百分表测定：测定：轴向应力轴向应力 轴向变形轴向变形*施加荷载，施加荷载， 静置至变形稳定静置至变形稳定*逐级加大荷载逐级加大荷载土变形的物理机制（原因）土变形的物理机制（原因） 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形v体应变主要是由于孔隙体积变化引起的体应变主要是由于孔隙体积变化引起的；v剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的起的。本节主要内容：一、一、e p e p 曲线、曲线、e lgP e lgP 曲线及土曲线及土的压缩性指标的压缩性指标二、原始压缩曲线、回弹再压缩曲线二、原始压缩曲线、回弹再压缩曲线一、一、e - pe - p曲线

4、曲线i00i0ee(1e )S /Hea 压缩系数，压缩系数，KPKPa a-1-1，MPMPa a-1-1szE 侧限压缩模量侧限压缩模量,KP,KPa a ,MP,MPa a变形模量？弹性模量？变形模量？弹性模量？z0e1e 0s1eEa vs01amE1e e 0100200 3004000.60.70.80.91.0e eea 称为称为压缩系数，压缩系数，KPKPa a-1-1a a1-21-2常用作常用作比较土的压比较土的压缩性大小缩性大小单向压缩试验的各种参数的关系单向压缩试验的各种参数的关系a= mv(1+e0)Es= (1+e0)/aMv=1/Ese - lgPe - lgP曲

5、线曲线ceC(lg) 压缩指数压缩指数Ce回弹指数（再压缩指数）回弹指数（再压缩指数）C Ce e C Cc c，一般一般C Ce e0.1-0.2C0.1-0.2Cc ce-e-lglgP P曲线：压缩曲线的曲线：压缩曲线的另一种表达方式另一种表达方式 特点：特点：有一段较长的直线段有一段较长的直线段指标：指标：二、原始压缩曲线、回弹曲线及再压缩曲线二、原始压缩曲线、回弹曲线及再压缩曲线e e地下水位上升地下水位上升 土层剥蚀土层剥蚀冰川融化冰川融化引起卸载，引起卸载，使土处于回弹状态使土处于回弹状态原状土的原位压缩曲线：原状土的原位压缩曲线：客观存在的，无法直接得到客观存在的，无法直接得到

6、lgP压缩曲线再压缩曲线回弹曲线4.3 4.3 饱和土饱和土有效应力原理有效应力原理土土孔隙水孔隙水固体颗粒骨架+ +三相体系孔隙气体孔隙气体+ +总应力总应力总应力由土骨架和孔隙总应力由土骨架和孔隙流体共同承受流体共同承受受外荷载作用受外荷载作用 1.1.饱和土中的应力形态饱和土中的应力形态PSPSVaaA 一、一、有效应力原理的基本概念有效应力原理的基本概念PSA为为土单元的断面积；土单元的断面积； Aw为孔隙水的断面积；为孔隙水的断面积；As为颗粒接触点的面积且接近于为颗粒接触点的面积且接近于01AAw u wsvAuPA a-aa-a断面竖向力平衡：断面竖向力平衡：wSAAA uAAA

7、Pwsv 其中其中所以所以并且令并且令有效应力有效应力=Psv/A得出有效应力原理为：得出有效应力原理为：2.2.饱和土的有效应力原理饱和土的有效应力原理u （1 1）饱和土体内任一平面上受到的总应力）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分可分为两部分 和和u u，（2 2）土的变形与强度都只取决于有效应力）土的变形与强度都只取决于有效应力求得有效应力求得有效应力总应力已知或易知总应力已知或易知孔隙水压测定或算定孔隙水压测定或算定通常通常, ,u 通过通过自重应力情况自重应力情况 （侧限应变条件）（侧限应变条件） 二、二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算饱和土中孔隙水压力和有效应力的计

8、算 (1) (1) 静水条件静水条件地下水位地下水位海洋土海洋土毛细饱和区毛细饱和区(2) (2) 稳定渗流条件稳定渗流条件sat 1.1.自重应力情况自重应力情况(1) (1) 静水条件静水条件地下水位地下水位2sat1HH H H1 1H H2 2=- -u uu=u=w wH H2 2u=u=w wH H2 2=-u-u = =H H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H2 2 = =H H1 1+(+(satsat- -w w)H)H2 2 = =H H1 1+ +HH2 2地下水位下降会引起地下水位下降会引起增大，土会产生压增大，土会产生压缩，这是城市抽水引缩，这是城

9、市抽水引起地面沉降的一个主起地面沉降的一个主要原因。要原因。海洋土海洋土(1)(1)静水条件静水条件1HH2H2sat1wHH Hw w wH H1 1w wH H1 12H =-u-u = =w wH H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H = =satsatH H2 2- -w w(H-H(H-H1 1) ) =(=(satsat- -w w)H)H2 2 = =HH2 2sat sat 毛细饱和区毛细饱和区(1)(1)静水条件静水条件毛细饱毛细饱和区和区HwhchthtsathH wwtsathhH wwh cwh cwhH 总应力总应力孔隙水压力孔隙水压力有效应力有效

10、应力+ +- -Hh砂层，砂层，承压水承压水粘土层粘土层satsatHh砂层，砂层，排水排水satsat(2) (2) 稳定渗流条件两种形式：稳定渗流条件两种形式：向上渗流向上渗流向下渗流向下渗流土水整体分析土水整体分析Hsat 向上渗流向上渗流: :向下渗流向下渗流: :)hH(uw )hH(Huwsat Hh砂层，砂层，承压水承压水粘土层粘土层satsathHw hHw 渗流压密渗流压密为渗透压力为渗透压力hw 所以所以4.4 4.4 饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论一、饱和土的渗透固结一、饱和土的渗透固结二、二、一维渗流固结理论（一维渗流固结理论（TerzaghiTerzag

11、hi渗流固结渗流固结 理论）理论）三、固结系数的测定三、固结系数的测定本节主要内容：本节主要内容：重点：重点： 一维渗流固结一维渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结土体的单向固结理论土体的单向固结理论St S不可压缩层不可压缩层可压缩层可压缩层 工程实践背景：大面积均布荷载工程实践背景：大面积均布荷载p不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pp侧限应力状态侧限应力状态一、一、饱和土的渗透固结饱和土的渗透固结 1 1、物理模型、物理模型0t t0 twph pphh 0h p附加应力附加应力: :z z=p=p超静孔压超静孔压: : u

12、= u =z z=p=p有效应力有效应力: :z z=0=0附加应力附加应力: :z z=p=p超静孔压超静孔压: : u p u 00附加应力附加应力: :z z=p=p超静孔压超静孔压: : u =0 u =0有效应力有效应力: :z z=p=p二二、TerzaghiTerzaghi一维渗流固结理论一维渗流固结理论2 2、数学模型、数学模型土层均匀且完全饱和；土层均匀且完全饱和；土颗粒与水不可压缩；土颗粒与水不可压缩；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；荷载均布且一次施加；荷载均布且一次施加；假定假定 z z = const= con

13、st渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；压缩系数压缩系数a a是常数。是常数。基本假定：基本假定：求解思路：求解思路：总应力已知总应力已知有效应力原理有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力的时空分布建立方程：建立方程：微小单元微小单元（11dz）微小时段微小时段（dt）q q(qdz)z zdz11不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z z土骨架的体积变化土骨架的体积变化孔隙体积的变化孔隙体积的变化流出的水量流出的水量q q(qdz)z dzz11固体体积：固体体积：111Vdzconst1e 2111VeVe(dz)1e 孔隙体积：孔隙体积

14、：dtdt时段内时段内孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积的变化流出的水量2Vqqdtqqdzdtdzdttzz 11eq1etz uwhkuqAkikikzz 达西定律达西定律: :221wauku1 etz 212wk 1euutaz 土的压缩性：土的压缩性：zea 有效应力原理：有效应力原理：zzu zz(u)euaaatttt 孔隙体积的变化土骨架的体积变化孔隙体积的变化土骨架的体积变化C Cv v 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结 速度；速度；C Cv v 与渗透系数与渗透系数k k成正比，与压缩系数成正比，与压缩系数a a成反比；成反比；（c

15、mcm2 2/s/s；m m2 2/year/year）1vwk(1e )Ca 212wk 1euutaz 固结系数固结系数2v2uuCtz 线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。变量方法求解。 给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出出u uz,tz,t。方程求解方程求解：（1 1）求解思路：）求解思路：2v2uuCtz 不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pHp0t t0 tz t , zuz t , z t , zut , z z 0 z H:u=pz=0: u=0z=H: u z

16、0 z H: u=0（2 2）边界、初始条件：）边界、初始条件：z z(3) (3) 微分方程的解微分方程的解vv2CTtH 时间因数时间因数m1，3，5，70 z H:u=pz=0: u=0z=H: u z 0 z H: u=02v2uuCtz 0t t0 t基本微分方程：基本微分方程：初始边界条件：初始边界条件：微分方程的解：微分方程的解：反映孔隙水压力的消散程度固结程度反映孔隙水压力的消散程度固结程度v22T4m1mt , zeH2zmsinm1p4u H单面排水时孔隙水压力分布单面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布z zz z排水面排水面不透水层不透水

17、层排水面排水面排水面排水面HH渗流渗流渗流渗流渗流渗流Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=u u0 0=p=pu u0 0=p=p三、三、固结系数确定方法固结系数确定方法固结系数固结系数 C Cv v反映固结速度的指标反映固结速度的指标, , C Cv v 越越 大，大，固结越快。固结越快。2v2uuCtz 时间平方根法时间平方根法经验方法经验方法OSS90S0=0OAt90t，vtT2U v22T4m5,3, 1m22tem181U vtT2U15. 1 (e)Cv=0.848H2/t90(a)(a)消除瞬时沉降，确定原点消除瞬时沉降，确定原点00(b)(b)试验曲线的直线段，表示为：试验曲线的直线段，表示为：tkSt (c)做直线做直线与试验曲线交于点与试验曲线交于点AtkS15. 1t (d)点点A对应于横坐标对应于横坐标 (Tv=0.848)90t